DE20321454U1

DE20321454U1 - Fassförmiges Ritzel

Info

Publication number: DE20321454U1
Application number: DE20321454U
Authority: DE
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2003-09-04
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2013-09-05

Abstract

Ein Ritzel, das eine äußere Oberfläche (142, 208, 298) hat, auf der Zähne (150, 210, 270, 286) ausgebildet sind und die sich auf einem axialen Abschnitt des Ritzels (138, 194, 242, 274, 314, 350) befindet, wobei die Ober-fläche (142, 208, 298) ein erstes Ende (158), ein zweites Ende (162) und einen Mittelteil (166, 306) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober-fläche (142, 208, 298) allgemein fassförmig ist, und dass der Durchmesser des Mittelteils (166, 306) größer ist als der Durchmesser sowohl des ersten Endes (158) als auch des zweiten Endes (162).

Description

Hintergrund der Erfindung
Die in dieser Patentanmeldung beschriebene Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein fassförmiges Ritzel und eine Methode für dessen Eingriff in eine Zahnstange.
Ritzel-getriebene elektrische Lenkgetriebe werden häufig in Kraftfahrzeugen verwendet. Sowohl Lenkgetriebe mit einem Ritzel als auch solche mit doppelten Ritzeln werden in Kombination mit einer Zahnstange verwendet. Die Konstruktionen nach dem heutigen Stand der Technik verwenden zylinderförmige Ritzel sowohl für Anordnungen mit einem als auch für solche mit doppelten Ritzeln.
Das Lenkgetriebe mit doppelten Ritzeln hat ein durch einen elektrischen Motor angetriebenes Ritzel (das angetriebene Ritzel) und ein zweites Ritzel, das mittels einer Kupplung und einer Lenksäule mit dem Lenkrad verbunden ist (das treibende Ritzel). Sowohl die Zähne des angetriebenen Ritzels als auch die Zähne des antreibenden Ritzels sind über einen Eingriff in verschiedenen Positionen entlang der Zahnstange mit den Zähnen der Zahnstange verbunden. Das angetriebene Ritzel führt die Zahnstange und verursacht die axiale Bewegung der Zahnstange. Verschiedene räumliche Anordnungen erfordern manchmal die Ausrichtung jedes der beiden Antriebs-Ritzel in einem Winkel zueinander, um den Umfang der Zahnstange herum.
Die Toleranz für diesen Winkel ist teilweise von der Toleranz der Zähne an der jeweiligen Position der Zahnstange abhängig, die mit den jeweiligen Zähnen jedes der zwei Ritzel in Eingriff stehen. Zusätzlich ist die Toleranz für diesen Winkel von den axialen Fertigungs-Toleranzen der Gehäuse für die Ritzel-Türme bzw. Ventiltürme abhängig, die jedes der Ritzel halten. Wenn die Gehäuse für die Ritzel-Türme nicht gerade gefertigt sind, ändert sich der Winkel zwischen den Ritzeln. Wenn dies der Fall ist, ändert sich das Spiel zwischen den Zähnen der Zahnstange und den Zähnen jedes der Ritzel innerhalb eines ungeeignet gefertigten Ritzel-Turm-Gehäuses, da die Mittellinie (die Achse) nicht mehr senkrecht zur Zahnstange ist. Daher variiert das Spiel während der Rotation des Ritzels auf Grund der ungleichmäßigen Anordnung entlang der Zahnstange.
Aus diesem Grund muss der Winkel der zwei Ritzel gegeneinander um den Umfang der Zahnstange herum sehr genau eingehalten werden, um eine Fehleinstellung im Ritzel-Zahnstangen-Getriebe-Satz zu vermeiden. Es ist wichtig, eine sol-che Fehleinstellung zu vermeiden, da dies zu einem nachteiligen Anwachsen des Drehmoments am Ritzel, zu schlechtem Rücklauf, verschlechterter Spitze zu Spitze Variation, und Anfälligkeit für Störgeräusche und Vibrations-Geräusche wie Knacken führen kann.
Die derzeit gebräuchlichen Herstellungsprozesse für das Zahn-System einer Zahnstange sind Räumen, Schleifen und Formen. Nach diesen Prozessen wird ein Wärmebehandlungs-Prozess vorgenommen, um die Zähne zu härten, und manchmal auch, um die Zahnstange selbst zu härten. Die Spannung während der Wärmebehandlung erzeugt oft eine Torsions-Spannung und ein Verbiegen der Zahnstange. Nach dem Prozess der Wärme-Behandlung durchläuft die Zahnstan-ge einen Richt-Prozess, um die Verdrehung und Verbiegung zu beheben.
An einer Zahnstange mit lediglich einem Bereich für ein Zahn-System sind die oben genannten Herstellungsprozesse praktikabel, ohne dass sie außergewöhnliche Maßnahmen oder Kosten erforderlich machen. Allerdings müssen bei einer Zahnstange mit zwei Bereichen für Zahn-Systeme, und im Besonderen bei einer Zahnstange mit zwei Bereichen für Zahn-Systeme, die in einem Winkel zueinander um den Umfang der Zahnstange herum angeordnet sind und die außerdem manchmal verschiedene Zahnsteigungen besitzen, die Herstellungsprozesse ex trem genau sein. Um diese Genauigkeit während der Herstellung der Ritzel und der Zahnstange einzuhalten, sind enge Toleranz-Bereiche erforderlich. Dies erfordert die Verwendung von kostspieligen, zeitaufwendigen, mit hohen personellen Aufwendungen verbundenen Herstellungsprozessen und Mess-Einrichtungen von hoher Qualität.
Eine neue Konstruktion für Ritzel ist deswegen anzustreben. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ritzel und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, das eine größere Bandbreite von Ungenauigkeit zwischen der Zahnstange und dem Ritzel-Getriebesatz erlaubt, um die Notwendigkeit von kostspieligen Herstellungsprozessen mit hoher Präzision zu vermeiden.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Es ist im Allgemeinen der Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein fassförmiges Ritzel zur Verfügung zu stellen und eine Methode für seinen Eingriff in eine Zahnstange.
In einem Aspekt stellt die Erfindung ein Ritzel dar, das eine im Allgemeinen fassförmige, mit Zähnen versehene äußere Oberfläche hat, die sich axial entlang eines Teils des Ritzels erstreckt. Die mit Zähnen versehene äußere Oberfläche hat erste und zweite Enden und einen mittleren Abschnitt. Der Durchmesser des mittleren Abschnitts ist größer als der Durchmesser des ersten Endes und größer als der Durchmesser des zweiten Endes.
In einem anderen Aspekt bietet diese Erfindung ein System bestehend aus einer Zahnstange und einem Satz von doppelten Ritzeln. Das System enthält ein erstes angetriebenes Ritzel, das durch einen elektrischen Motor angetrieben wird, und ein zweites antreibendes Ritzel, das mit dem Lenkrad und der Zahnstange ver-bunden ist. Das erste angetriebene Ritzel hat eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche. Das zweite antreibende Ritzel hat eine im Allgemeinen fassförmige, mit Zähnen versehene äußere Oberfläche, die sich axial entlang eines Teils des zweiten antreibenden Ritzels erstreckt. Die Zahnstange hat eine mit Zähnen ver-sehene äußere Oberfläche. Die Zähne des ersten angetriebenen Ritzels greifen in die Zähne der Zahnstange an einer ersten Position und die Zähne des zweiten antreibenden Ritzels greifen in die Zähne der Zahnstangen an einer zweiten Posi-tion ein.
In einem weiteren Aspekt dieser Erfindung wird eine Methode vorgestellt, um ein Ritzel mit einer Zahnstange in Eingriff zu bringen. Die Methode weist die folgende Schritte auf: zuerst wird ein erstes Ritzel mit einer allgemein fassförmigen, mit Zähnen versehene äußeren Oberfläche, mit einem ersten und einem zweiten Ende und einem mittleren Abschnitt bereitgestellt. Der Durchmesser des mittleren Abschnitts ist größer als der Durchmesser des ersten Endes und größer als der Durchmesser des zweiten Endes. Als Nächstes wird eine Zahnstange mit einer mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche bereitgestellt. Abschließend wird die mit Zähnen versehene, allgemein fassförmige äußere Oberfläche des ersten Ritzels in Eingriff mit der mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche der Zahnstange an einer ersten Position gebracht.
Die vorliegende Erfindung ist zusammen mit weiteren Merkmalen und Vorteilen dieser Erfindung am besten zu verstehen durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung, die in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung zu sehen ist.
Kurze Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten verschiedenen Ansichten Erfindung, in der Zeichnung zeigen
1: eine Ansicht von vorn für ein einzelnes, zylindrisches Ritzel nach dem gegenwärtigen Stand der Technik;
2: eine perspektivische Ansicht für ein System mit doppeltem zylindrischem Ritzel und einer Zahnstange nach dem gegenwärtigen Stand der Technik, worin die doppelten Ritzel parallel zueinander ausgerichtet sind auf dem Umfang der Zahnstange mit einem Installations-Winkel von null Grad, gemessen in Richtung P-P, die senkrecht zur Zahnstan-ge verläuft;
2A: eine Ansicht des Ritzels 34, das in 2 gezeigt ist, von vorn (Stand der Technik);
2B: eine Ansicht des Ritzels 30, das in 2 gezeigt ist, von vorn (Stand der Technik);
3: eine perspektivische Ansicht eines Systems mit doppelten zylindrischen Ritzeln und einer Zahnstange nach dem heutigen Stand der Technik, worin die doppelten Ritzel in einem Winkel zueinander auf dem Umfang der Zahnstange ausgerichtet sind;
3A: eine Ansicht des Ritzels 86, das in 3 gezeigt ist, von vorn (Stand der Technik);
3B: eine Ansicht des Ritzels 82, das in 3 gezeigt ist, von vorn (Stand der Technik);
4: eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Ritzels nach dem heutigen Stand der Technik, das in einem Winkel zur Zahnstange ausgerichtet ist;
4A: eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie F-F in 4 (Stand der Technik);
4B: eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts, der im Kreis V in 4A gezeigt ist (Stand der Technik);
4C: eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie G-G in 4 (Stand der Technik);
4D: eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts, der im Kreis T in 4C gezeigt ist (Stand der Technik);
5: eine frontale Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für ein einzelnes fassförmiges Ritzel;
6: eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für ein System mit einer Zahnstange und einer doppelten Anordnung von fassförmig gestalteten Ritzeln, wobei die doppelten Ritzel parallel zueinander angeordnet sind;
6A: eine Ansicht des Ritzels 190, das in 6 gezeigt ist, von vorn;
6B: eine Ansicht des Ritzels 194, das in 6 gezeigt ist, von vorn;
7: eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für ein System mit einer Zahnstange und doppelten fassförmig gestalteten Ritzeln, worin die doppelten Ritzel in einem Winkel zueinander angeordnet sind;
7A: eine Ansicht des Ritzels 246, das in 7 gezeigt ist, von vorn;
7B: eine Ansicht des Ritzels 242, das in 7 gezeigt ist, von vorn;
8: eine perspektivische Ansicht einer Ausführung der vorliegenden Erfindung für ein fassförmiges Ritzel, das in einem Winkel zur Zahnstange angeordnet ist;
8A: eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie J-J in 8, wenn die Zahnstange in einer ersten Position ist, in der sie null Grad um ihre zentrale Achse gedreht ist;
8B: eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts, der im Kreis R in 8A gezeigt ist;
8C: eine Schnitt-Ansicht entlang der Linie K-K in 8, wenn die Zahnstange sich in einer zweiten Position befindet, wo sie ein Grad um ihre zentrale Achse gedreht ist;
8D: eine vergrößerte Ansicht des Ausschnitts, der in Kreis S in 8C gezeigt ist;
9: eine perspektivische Ansicht einer Zahnstangen-Konstruktion mit D-förmiger Gestalt, die eine Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet;
10: eine perspektivische Ansicht einer Zahnstangen-Konstruktion mit Y-förmiger Gestalt, die eine Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet;
10A: eine andere perspektivische Ansicht der Ausführung, die in 10 gezeigt ist; und
11: ein Flussdiagramm, das eine exemplarische Methode entsprechend der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 bis 4 zeigen verschiedene Konstruktionen für Systeme bestehend aus zylindrischen Ritzeln und einer Zahnstange nach dem heutigen Stand der Technik. Wie in 1a gezeigt, hat das zylindrisches Ritzel 10 eine allgemein zylindrisch gestaltete äußere Oberfläche 14, die sich axial entlang des Ritzel 10 erstreckt. Die äußere Oberfläche 14 besitzt Zähne 18, die sich in einer schraubenförmigen Anordnung auf dem Umfang 22 befinden. Der Schrauben-Winkel h kann sich zwischen null Grad und 45 Grad bewegen, gemessen von der zentralen Achse C-C des Ritzels 10.
Die 2, 2A und 2B zeigen ein Zahnstangen-Ritzel-System 26 mit doppelten zylindrischen Ritzeln, das ein erstes, zylindrisches, antreibendes Ritzel 30 aufweist, das mit dem Lenkrad (nicht gezeigt) verbunden ist, und ein zweites, zylindrisches, angetriebenes Ritzel 34 hat, das mit Hilfe eines elektrischen Motors (nicht gezeigt) angetrieben wird. Die zwei Ritzel 30 und 34 sind parallel zueinander auf dem Umfang der Zahnstange 58 in einem Installations-Winkel von null Grad angeordnet, gemessen von der Linie P-P, die senkrecht zur Zahnstange 58 verläuft. Das erste, zylindrische, antreibende Ritzel 30 weist eine ganz allgemein zylindrisch geformte äußere Oberfläche 36 auf, die axial entlang des antreibenden Ritzels 30 verläuft. Die äußere Oberfläche 36 besitzt Zähne 38, die sich entlang seines Umfangs 42 erstrecken. Die Zähne 38 sind in einem Schrauben- Winkel h, der von null Grad bis 45 Grad reichen kann, gemessen von der zentralen Achse des Ritzels 30, angeordnet. In ähnlicher Weise hat das zweite, zylindrische, angetriebene Ritzel 34 eine ganz allgemein zylindrisch geformte äußere Oberfläche 46, die sich axial entlang des angetriebenen Ritzels 34 erstreckt. Die äußere Oberfläche 46 hat Zähne 50, die sich entlang des Umfangs 54 erstrecken. Die Zähne 50 sind in einem Schrauben-Winkel h angeordnet, der von null Grad bis 45 Grad reichen kann, gemessen von der zentralen Achse des Ritzels 34. Die längs gestreckte Zahnstange 58 hat eine erste und eine zweite äußere Oberfläche 62 und 64, die sich axial entlang der Zahnstange 58 erstrecken. Die erste und die zweite äußere Oberfläche 62 und 64 der Zahnstange 58 haben jeweils, Zähne 66 und 68, die axial entlang der Zahnstange 58 verlaufend angeordnet sind. Die Zähne 66 und 68 der ersten und der zweiten äußeren Oberfläche 62 und 64 können in dieser Ausführung verschiedene Umfangs-Verhältnisse von Zahn zur Zahnstange aufweisen. Die Zähne 38 des ersten, zylindrischen, antreibenden Ritzels 30 greifen in die Zähne 66 der ersten äußeren Oberfläche 62 der Zahnstange 58 an einer ersten Position 70 ein. Die Zähne 50 des zweiten zylindrischen angetriebenen Ritzels 34 kämmen mit den Zähnen 68 der zweiten äußeren Oberfläche 64 der Zahnstange 58 an einer zweiten Position 74.
Die 3, 3A und 3B sind identisch zu den 2, 2A und 2B mit der Ausnahme, dass sie ein System 78 mit zweifachen zylindrischen Ritzeln und einer Zahnstange zeigen, die ein erstes zylindrisches antreibendes Ritzel 82 besitzen, das sich in einem Winkel von Grad bezogen auf das zweite zylindrische angetriebene Ritzel 86 auf dem Umfang der Zahnstange 90 befindet. Der Winkel von ⎕ Grad erfordert eine noch engere Toleranz als in 2 und zwar an den ersten und zweiten Positionen 94 und 98, wo die Zähne 102 des ersten, zylindrischen, antreibenden Ritzels 82 und die Zähne 106 des zweiten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 86 in die Zähne 110 und 112 der Zahnstange 90 eingreifen. Die Zähne 110 und 112 an den ersten und zweiten Positionen 94 und 98 müssen in zwei Schritten hergestellt werden. Die Winkel-Toleranzen in diesen ersten und zweiten Positionen 94 und 98 müssen extrem eng sein, um eine negative Auswirkung auf die Leistung der Lenkung zu vermeiden. Weiterhin ist der Toleranz-Bereich noch weiter durch zusätzliche Beschränkung der Toleranz eingeengt, die durch die Installation der Gehäuse-Türme (nicht gezeigt) gegeben ist, die die Ritzel 82 und 86 halten. Diese Anforderungen an die Toleranz erfordern eine komplexe und teure Fertigung bei der Herstellung der Zahnstangen 90.
4 zeigt ein zylindrisches Ritzel 114, das in einem Installations-Winkel i auf dem Umfang der Zahnstange 118 angeordnet ist. Das Ritzel 114 besitzt Zähne 126 mit einem Schrauben-Winkel h, der sich von null Grad bis 45 Grad bezogen auf die Achse C-C des Ritzels bewegt. 4A zeigt eine querschnittliche Ansicht F-F des Eingriffs der Zähne 122 der Zahnstange 118 in die Zähne 126 des Ritzels 114, wenn die Zahnstange 118 sich in einer Position befindet, die um null Grad um ihre zentrale Achse RC gedreht ist. 4B zeigt den Abstand 128 zwischen den Zähnen 122 der Zahnstange 118 und den Zähnen 126 des Ritzels 114 in der ersten Position, die im Kreis V der querschnittlichen Ansicht F-F gezeigt ist. 14. zeigt eine querschnittliche Ansicht G-G des Eingriffs der Zähne 122 der Zahnstange 118 in die Zähne 126 des Ritzels 114, wenn die Zahnstange 118 um ein Grad um ihre zentrale Achse RC gedreht ist. 4D zeigt den Abstand 130 zwischen den Zähnen 122 der Zahnstange 118 und den Zähnen 126 des Ritzels 114 in der querschnittlichen Ansicht G-G, die im Kreis T gezeigt ist, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse RC gedreht ist.
Um die Toleranz des Winkels zwischen den doppelten Ritzeln um den Umfang der Zahnstange herum zu bestimmen, muss die Toleranz jedes der Ritzel-Turm-Gehäuse und die Toleranzen der Zähne der Zahnstange in jeder eingreifenden Position approximiert und kombiniert werden. Um die Summe dieser Toleranzen zu simulieren, wird der Abstand zwischen den Zähnen der Zahnstange und den Zähnen des Ritzels bestimmt, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse herum gedreht ist. Die Rotation der Zahnstange um ihre zentrale Achse RC simuliert die Fertigungs-Toleranzen für die mit Zähnen versehenen Positionen auf dem Umfang der Zahnstange. Die Testergebnisse zeigen, dass der Abstand 128 (das Spiel) zwischen den Zähnen 122 der Zahnstange 118 und den Zähnen 126 der Zahnstange 114 an der ersten Position, wenn die Zahnstange um null Grad um ihre zentrale Achse gedreht ist, typischerweise zwei oder dreimal größer ist als das Spiel 130 zwischen den Zähnen 122 der Zahnstange 118 und den Zähnen 126 des Ritzels 114, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist.
Die Abnahme des Spiels, wenn die Zahnstange 118 um ihre zentrale Achse 10 gedreht wird, wird dadurch verursacht, dass die Zähne 122 der Zahnstange 118 sich näher an die Zähne 126 des Ritzels 114 heran bewegen, und zwar wegen der zylindrischen Form der äußeren Oberfläche des Ritzels 134 und der ungleichmäßigen Ausrichtung der Zähne 122 der Zahnstange 118 auf die zentrale Achse des Ritzels 114. Dies geschieht, weil die äußere Oberfläche 134 des Ritzels eine zylindrische Form hat, und dadurch die Zähne 126 des Ritzels 114 in einer konstanten Position hält, obwohl die Zähne 122 der Zahnstange 118 dazu gezwungen werden, sich näher an die Zähne 126 des Ritzels 114 heran zu bewegen, und zwar wegen der Rotation der Zahnstange 118 und der ungleichmäßigen Ausrichtung.
Auf einer Zahnstange mit zwei Bereichen von Zahn-Systemen, die mit zwei Ritzeln in Eingriff stehen, erfordert eine Verringerung des Spiels auf Grund der Rotation der Zahnstange, dass die Fertigungsprozesse sehr genau ausgeführt werden, um die Toleranzen innerhalb des erforderlichen Bereichs zu halten. Einen weiteren Einfluss auf das Spiel hat ein Effekt, der als "Zahnstangen- Rollen" bezeichnet wird, und der durch den Eingriff eines Ritzels mit schraubenförmiger Form in eine Zahnstange verursacht wird. Beim Zahnstangen-Rollen dreht sich die Zahnstange während der axialen Bewegung der Zahnstange leicht um ihre zentrale Achse, und zwar wegen fehlender Führung der Zahnstange. Dies geschieht auf Grund von Fertigungs-Toleranzen und Verformung auf Grund der Wärmebehandlung. Die Resultate davon sind unterschiedliche Druck-Winkel, unterschiedliche Schrauben-Winkel und unterschiedliche Durchmesser der Zahnstange und der Ritzel. Der Effekt kann in elektrischen Systemen mit einzelnen und doppelten Ritzeln, elektrischen hydraulischen Systemen, hydraulischen Systemen und auch den manuellen Lenkgetrieben entstehen. Weiterhin ist in einem System mit zwei Ritzeln der Toleranz-Bereich auch noch durch die möglichen Variationen in der gewünschten Position der Zähne der Zahnstange in der ersten und der zweiten Position verändert. Dies ist auf Grund der Fertigungs-Toleranzen gegeben, die durch die Genauigkeit des Einspannens während der Herstellung der Zahnstange entstehen. Es führt dazu, dass zeitaufwändige, komplizierte und teure Herstellungsprozesse erforderlich sind.
Die vorliegende Erfindung stellt ein allgemein fassförmiges Ritzel vor. Dieses hebt das Problem des Spiels auf, das in zylinderförmigen Ritzeln nach dem gegenwärtigen Stand der Technik gegeben ist. Ein allgemein fassförmiges Ritzel ist als ein Ritzel definiert, das eine allgemein gebogene, axial verlaufende, äußere Kontur bzw. Oberfläche hat. Ein allgemein fassförmiges Ritzel ist weiter dadurch defi-niert, dass der Durchmesser des allgemein fassförmigen Ritzels im Bereich zwi-schen zwei Enden des Ritzels größer ist als der Durchmesser an dem jeweiligen Ende des Ritzels.
5 zeigt ein allgemein fassförmiges Ritzel 138. Das fassförmige bzw. ballige Ritzel 138 hat eine allgemein fassförmige äußere Oberfläche 142, die sich axial entlang eines Abschnitts 146 des Ritzels 138 erstreckt. Die äußere Oberfläche 142 hat allgemein fassförmige Zähne 150, entsprechend oder als Ergänzung zur Gestalt der äußeren Oberfläche 142, die in einer ganz allgemein schraubenförmigen Form um ihren Umfang 154 herum angeordnet sind. Der Schrauben-Winkel h der Zähne 150 kann zwischen null Grad und 45 Grad, gemessen von der zentra-len Achse des Ritzels C-C, liegen. Die Zähne 150 und die äußere Oberfläche 142 definieren Rillen 152, die zwischen jedem Satz von Zähnen 150 verlaufen. Die äußere Oberfläche 142 besitzt ein erstes Ende 158, ein zweites Ende 162 und ei-nen mittleren Teil 166. Der Durchmesser 174 des mittleren Teils 166 ist größer als sowohl der Durchmesser 178 des ersten Endes 158 als auch des Durchmes-sers 182 des zweiten Endes 162. Der Querschnitt 170 der äußeren Oberfläche 142 ähnelt ganz allgemein der Form eines abgerundeten Fasses, insofern als der Querschnitt 170 im mittleren Teil 166 am größten ist und kontinuierlich zu sowohl zum ersten Ende 158 als auch zum zweiten Ende 162 hin abnimmt. In einigen Ausführungen können der Durchmesser 178 des ersten Endes 158 und der Durchmesser 182 des zweiten Endes 162 identisch sein. In anderen Ausführun-gen kann der Durchmesser 178 verschieden sein vom Durchmesser 182.
Das allgemein fassförmige Ritzel 138 wird bevorzugt aus Stahl gefertigt unter Einsatz einer Anzahl von verschiedenen Prozessen, wie zum Beispiel einem dreidimensionalen Walzfräse-Prozess, einem Form-Prozess oder einem Schleif-Prozess.
Die 6, 6A und 6B zeigen ein Zahnstangen-System mit doppelten Ritzeln 186, das ein allgemein fassförmiges Ritzel 194 hat. Das Zahnstangen-System mit doppelten Ritzeln 186 weist ein erstes, allgemein zylinderförmiges, angetriebenes Ritzel 190, das durch einen elektrischen Motor (nicht gezeigt) angetrieben wird, und ein zweites allgemein fassförmiges antreibendes Ritzel 194 auf, das mit dem Lenkrad (nicht gezeigt) verbunden ist. In dieser Ausführung sind das erste, all-gemein zylinderförmige, angetriebene Ritzel 190 und das zweite, allgemein fass-förmige, antreibende Ritzel 194 parallel zueinander entlang der Zahnstange 218 angeordnet. In anderen Ausführungen können das erste, allgemein zylinderförmige, angetriebene Ritzel 190 und das zweite, allgemein fassförmige, antreibende Ritzel 194 in einem Winkel zueinander entlang der Zahnstange 218 orientiert sein.
Das erste allgemein zylinderförmige Ritzel 190 hat eine allgemein zylinderförmige äußere Oberfläche 198, die sich axial entlang des angetriebenen Ritzels 190 er-streckt. Die äußere Oberfläche 198 besitzt Zähne 202, die schraubenförmig auf dem Umfang 206 angeordnet sind. Das zweite, allgemein fassförmige, antreiben-de Ritzel 194 weist eine allgemein fassförmige äußere Oberfläche 298 auf, die sich axial entlang des antreibenden Ritzels 194 erstreckt. Die Zähne 210 befinden sich auf der äußeren Oberfläche 208 ganz allgemein schraubenförmig auf dem Umfang 214 des Ritzels. Sowohl für die Zähne 202 des ersten, allgemein zylin-derförmigen Ritzels 190 und die Zähne 210 des zweiten, allgemein fassförmigen, antreibenden Ritzels 194 kann der Schrauben-Winkel h, gemessen von der Mit-telachse C-C jedes Ritzels, im Bereich von null Grad bis 45 Grad liegen. Die lang gestreckte Zahnstange 218 weist erste und zweite äußere Oberflächen 222 und 224 auf, die sich radial und axial auf der Zahnstange 218 erstrecken. Die Zähne 226 und 228 sind dabei axial entlang der ersten und zweiten äußeren Oberfläche 222 und 224 der Zahnstange 218 angeordnet. Die Zähne 226 und 228 können senkrecht zur zentralen Achse der Zahnstange oder in einem variierenden, schraubenförmigen Winkel verlaufen, gemessen von der zentralen Achse aus, oder sie können auch verschiedene Verhältnisse von Zahn zu Umfang der Zahnstange aufweisen. Die Zähne 202 des ersten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 190 sind mit den Zähnen 226 der Zahnstange 218 an einer ersten Position 230 im Eingriff. An einer zweiten Position 234 greifen die Zähne 210 des zweiten, allgemein fassförmigen, antreibenden Ritzels 194 zwischen die Zähne 228 der Zahnstange 218 ein.
Die 7, 7A und 7B zeigen ein Zahnstangen-System mit doppelten Ritzeln 238, das ein allgemein fassförmiges Ritzel 242 hat, das in einem Winkel A' bezüglich des Umfangs der Zahnstange 250 zu einem zylindrischen angetriebenen Ritzel 246 angeordnet ist. Der Winkel A' kann variieren. Die Ritzel 242 und 246 können in verschiedenen Winkeln gegeneinander angeordnet sein oder sie kön nen in ähnlichen oder in gegenüberliegenden Richtungen angeordnet sein. Weiterhin können die Ritzel 242 und 246 an jeder Position entlang des Umfangs der Zahnstange 250 angeordnet sein. Die Zähne 254 des ersten, zylindrischen, angetriebenen Ritzels 246 greifen zwischen die Zähne 258 der Zahnstange 250 an einer ersten Position 262 ein. In gleicher Weise greifen an einer zweiten Position 266 die Zähne 270 des zweiten, allgemein fassförmigen, antreibenden Ritzels 242 zwischen die Zähne 260 der Zahnstange 250 ein. Die Zähne 254 und 270 der Ritzel 246 und 242 sind in einer allgemein schraubenförmigen Form auf dem Umfang der Ritzel angeordnet. Sie können verschiedene Schrauben-Winkel h aufweisen, die von null Grad bis 45 Grad, gemessen von den Achsen der Ritzel, variieren können. Die Zähne 258 der Zahnstange 250 an der ersten Position 262 können einen Winkel zu den Zähnen 260 der Zahnstange an der zweiten Position 266 aufweisen. Außerdem können sie verschiedene Verhältnisse von Abmessungen der Zähne zu Umfang des Ritzels haben. Schließlich können die ersten und zweiten Positionen 262 und 266 radial oder axial gegeneinander versetzt sein.
Um das Spiel zwischen den zylindrischen Ritzeln nach dem gegenwärtigen Stand der Technik und den allgemein fassförmigen Ritzeln der vorliegenden Erfindung zu vergleichen, zeigt 8 ein allgemein fassförmiges Ritzel 274, das in einem Installations-Winkel i zur Zahnstange 278 angeordnet ist. 8A zeigt einen Querschnitt J-J des Eingriffs der Zähne 282 der Zahnstange 278 in die Zähne 286 des Ritzel 274, wenn die Zahnstange 278 in einer ersten Position ist, die um null Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist. 8B zeigt das Spiel 290 zwischen den Zähnen 282 der Zahnstange 278 und den Zähne 286 des Ritzels 274 in der ersten Position, die im Kreis R in der Querschnitts-Ansicht J-J dargestellt ist. 8C zeigt eine querschnittliche Ansicht K-K des Eingriffs der Zähne 282 der Zahnstange 278 in die Zähne 286 des Ritzels 274, wenn die Zahnstange 278 um ein Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist. 8D zeigt das Spiel 294 zwischen den Zähnen 282 der Zahnstange 278 und den Zähnen 286 des Ritzels 274 in der querschnittlichen Ansicht K-K, die im Kreis S gezeigt ist, wenn die Zahnstange um ein Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist.
Die Ergebnisse für das Spiel beim allgemein fassförmigen Ritzel sind wesentlich verbessert gegenüber den vorher diskutierten Ergebnissen des Spiels für die allgemein zylinderförmigen Ritzel nach dem gegenwärtigen Stand der Technik. Zum Beispiel hat der Test in einigen Ausführungen ergeben, dass das Spiel 290 zwi schen den Zähnen 282 der Zahnstange 278 und den Zähnen 286 des Ritzels 274 in der ersten Position, wenn die Zahnstange um null Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist, ganz allgemein identisch ist mit dem Spiel 294 zwischen den Zähnen 282 der Zahnstange 278 und den Zähnen 286 des Ritzels 274, wenn die Zahnstange 278 um ein Grad um ihre zentrale Achse C gedreht ist. Dies liegt daran, dass die äußere Oberfläche 298 des Ritzels ganz allgemein fassförmige Gestalt hat, und dadurch der Querschnitt 302 des Ritzels 274 reduziert ist, wenn man weiter weg vom mittleren Teil 306 ist, während auf der anderen Seite die Zähne 282 der Zahnstange 278 in eine Position mehr zu den Zähnen 286 des Rit-zels 274 hin bewegt werden, wenn die Zahnstange 278 rotiert.
Die verbesserten Ergebnisse bezüglich des Spiels vermeiden die Notwendigkeit für sehr teure Herstellungsprozesse bei der Herstellung der Zahnstange. Dies ist durch die Verringerung der bei der Herstellung erforderlichen Genauigkeit gegeben. Kleine radiale Winkel-Differenzen in den Zähnen zwischen Ritzel und Zahnstange werden durch das allgemein fassförmige Ritzel ausgeglichen. Diese radialen Winkel-Differenzen können auf Grund von kleinen radialen Abweichungen zwischen dem Ritzel und der Zahnstange, durch geringe radiale Bewegungen der Zahnstange um ihre zentrale Achse wegen des Eingriffs in das Ritzel oder ungenaue Fertigung des Ritzels oder der Zahnstange entstehen. Weiterhin gleichen die verbesserten Ergebnisse für das Spiel die Effekte des Zahnstangen-Rollens und Varianzen in den beabsichtigten Positionen der Zähne auf der Zahnstange in der ersten und der zweiten Position auf Grund von Fertigungs-Toleranzen aus.
9 zeigt einen eine D-förmige Zahnstangen-Konstruktion 310, die ein fassförmiges Ritzel 314 auf dem Umfang der D-förmigen Zahnstange 318 verwendet. Die Zahnstange 318 wird als D-förmig bezeichnet, da sie eine sich allgemein längs erstreckende erste äußere Oberfläche 322 aufweist und eine zweite allgemein zylindrische äußere Oberfläche 326, die ein D ausbilden. Wenn das Ritzel 314 in Richtung 330 bezüglich seiner zentralen Achse C-C rotiert, bewegt sich die Zahnstange 318 in der axialen Richtung 338, was dazu führt, dass die Zahnstange 318 die Zahnstangen-Rollbewegung 342 ausführt. Hier gleicht die Verwendung des fassförmigen Ritzels 314 die Zahnstangen-Rollbewegung 342 aus.
Die 10 und 10A zeigen eine Y-förmige Zahnstangen-Konstruktion 346, die ein fassförmiges Ritzel 315 auf dem Umfang der Y-förmigen Zahnstange 354 verwendet. Die Y-förmige Zahnstangen-Konstruktion 346 wird als Y-förmig bezeichnet, da sie die Form eines Y besitzt und axial in einem Y-förmigen gabelförmigen Gehäuse läuft. Das Y-förmige Gehäuse verhindert, dass die Y-förmige Zahnstange 354 die Zahnstangen-Rollbewegung durchführt, da sie die Zahnstange 354 an der Rotation um ihre zentrale Achse hindert. Das fassförmige Ritzel 350 ist dabei vorteilhaft zur Verhinderung von hohen Drehmomenten auf das Ritzel, schlechtem Rücklauf, und es vermindert die Notwendigkeit von erhöhten Lenk- Anstrengungen wegen ungenauen Anpassungen im Getriebe, da diese durch das fassförmige Ritzel 350 ausgeglichen werden.
In 11 wird eine Methode zum Eingreifen eines Ritzels in eine Zahnstange dargestellt. Sie beginnt als erster Schritt mit der Bereitstellung eines allgemein fassförmigen Ritzels 358. Das Ritzel weist bevorzugt eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche mit einem ersten und einem zweiten Ende und einen Mittelteil auf. Der Durchmesser des Mittelteils ist bevorzugt größer als der Durchmesser des ersten Endes und der Durchmesser des zweiten Endes. Ein zweites Ritzel mit einer allgemein zylinderförmigen mit Zähnen versehenen äußeren Oberfläche kann in 362 zur Verfügung gestellt werden. Als Nächstes wird eine Zahnstange in 366 bereitgestellt. Die Zahnstange hat bevorzugt eine mit Zähnen versehene äußere Oberfläche. Abschließend werden die Zähne der allgemeinen fassförmigen, äußeren Oberfläche des Ritzels in einer ersten Position 370 in Eingriff mit den Zähnen auf der äußeren Oberfläche der Zahnstange gebracht. Die Zähne der allgemein zylinderförmigen, äußeren Oberfläche des zweiten Ritzels können ebenfalls in einer zweiten Position 374 in Eingriff mit den Zähnen der äußeren Oberflä-che der Zahnstange gebracht werden. Das allgemein fassförmige Ritzel kann pa-rallel zum zweiten Ritzel entlang des Umfangs der Zahnstange angeordnet sein oder es kann in verschiedenen Winkeln in jeder Richtung bezüglich des zweiten Ritzels auf dem Umfang der Zahnstange angeordnet sein.
Die vorangehende Beschreibung ist so zu verstehen, dass die Erfindung nicht auf die exakte Konstruktion oder Methode eingeschränkt ist, die hier dargestellt und diskutiert wird, sondern dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dabei vom Geist und Geltungsumfang der Erfindung abzugehen.

Claims

Ein Ritzel, das eine äußere Oberfläche (142, 208, 298) hat, auf der Zähne (150, 210, 270, 286) ausgebildet sind und die sich auf einem axialen Abschnitt des Ritzels (138, 194, 242, 274, 314, 350) befindet, wobei die Ober-fläche (142, 208, 298) ein erstes Ende (158), ein zweites Ende (162) und einen Mittelteil (166, 306) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ober-fläche (142, 208, 298) allgemein fassförmig ist, und dass der Durchmesser des Mittelteils (166, 306) größer ist als der Durchmesser sowohl des ersten Endes (158) als auch des zweiten Endes (162).
Das Ritzel nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (150, 210, 270, 286) auf einem allgemein schraubenförmig verlaufenden Weg angeordnet sind.
Das Ritzel nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der allgemein schraubenförmige Verlauf einen Schrauben-Winkel hat, der im Bereich zwischen null Grad und 45 Grad liegt.
Das Ritzel nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die allgemein fassförmige, mit Zähnen (150, 210, 270, 286) versehene äußere Oberfläche (142, 208, 298) durch mindestens einen der fol genden Prozesse gefertigt ist: 3D Walzfräsen, einen Form-Prozess, und einen Schleif-Prozess.
Das Ritzel nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser des ersten Endes (158) und des zweiten Endes (162) identisch sind.
Das Ritzel nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchmesser des ersten Endes (158) und des zweiten Endes (162) verschieden sind.
Ein Getriebe-System aus Zahnstange und zweifachem Ritzel, das aufweist: – ein erstes, angetriebenes Ritzel (190, 246), das mit einem Elektromotor drehbar verbunden ist und das eine mit Zähnen (202, 254) versehene äuße-re Oberfläche (198) hat; – ein zweites, antreibendes Ritzel (194, 242), das mit einem Lenkrad drehbar verbunden ist und das eine mit Zähnen (210, 270) versehene äußere Oberfläche (208) hat, die sich axial entlang eines Teilbereichs des zweiten, antreibenden Ritzels (194, 242) erstreckt; und – eine Zahnstange (218, 250) mit einer mit Zähnen (226, 228; 258, 260) versehenen, äußeren Oberfläche (222), wobei die Zähne (202, 254) des ersten, angetriebenen Ritzels (190, 246) an einer ersten Position (230, 262) in Eingriff stehen mit den Zähnen (226, 228; 258, 260) der Zahnstange (218, 250), und wobei die Zähne (210, 270) des zweiten, antreibenden Rit-zels (194, 242) an einer zweiten Position (234, 266) in Eingriff mit den Zäh-nen (226, 228; 258, 260) der Zahnstange (218, 250) stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Oberfläche (208, 298) des zweiten, antreibenden Ritzels (194, 242) allgemein fassförmig ist.
Das Getriebe-System nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, angetriebene Ritzel (190, 246) und das zweite, antreibende Ritzel (194, 242) parallel zueinander auf dem Umfang der Zahnstange (218, 250) angeordnet sind.
Das Getriebe-System nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, angetriebene Ritzel (190, 246) und das zweite antreibende Ritzel (194, 242) in einem Winkel zueinander angeordnet sind.